CN102128736B - 旱地硝化反硝化田间原位土柱培养装置及使用该装置测试的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及旱地硝化反硝化田间原位土柱培养装置及使用该装置测试的方法，乙炔扩散均匀。所述旱地硝化反硝化田间原位测定装置包括土样采集管和密闭室，土样采集管置于密闭室内，所述土样采集管至少一端开口，其侧面分为多层，每层高3-5cm，每层中部设有多个扩散孔。使用本发明所述装置测试的方法为，先用土样采集管在田间随机取回代表性土柱，立即将装有土柱的土样采集管垂直置入密闭室中，然后将乙炔气体引入密闭室，在密封条件下进行土柱培养。由于采用土样采集管采集土柱，土样采集管侧面分为多层，每层中部设有扩散孔，可以保证乙炔通入装置后与土样充分接触，并均匀扩散，抑制效果理想。
Description
技术领域
本发明涉及一种旱地硝化反硝化田间原位土柱培养装置及使用该装置测试的方法。
背景技术
全球气候变化自上世纪末逐渐成为相关研究的焦点和热点，近年来，温室气体减排成为各国经济和外交的重要角力场，具有重要的战略意义。温室气体主要指二氧化碳、氮氧化合物、甲烷等能吸收长波辐射致使大气增温的气体。其中，氧化亚氮是增温效率较高的温室气体（是二氧化碳分子的200倍），旱地农田生态系统又是氧化亚氮的重要源，因此对其排放通量的原位监测是制定减排对策的根本依据(张玉铭,胡春胜, 董文旭, 陈德立, 张佳宝, 2004. 农田土壤N2O生成与排放影响因素及N2O总量估算的研究. 中国生态农业学报 12, 119-123.)。目前国内外对生成该气体的硝化反硝化过程的原位测定已经进行了大量的探索，获取了氧化亚氮排放的规律性认识，然而测定装置不同程度的瑕疵制约了信息的应用( Ryden, J.C., Skinner,J.H., Nixon, D.J., 1987. Soil Core Incubation System for the Field Measurement of Denitrification UsingAcetylene-Inhibition. Soil Biology & Biochemistry 19,753-757.; Xing, G.X., Zhu, Z.L., 1997. Preliminary studies on N2O emission fluxes from upland soils andpaddy soils in China. Nutrient Cycling in Agroecosystems 49, 17-22.)。
目前硝化反硝化原位测定主要采用乙炔抑制-土柱培养法，而实现该原理的装置却差别较大（邹国元, 张福锁, 李新慧, 2002. 夏玉米生长期土壤氮素的硝化-反硝化作用研究. 干旱地区农业研究 20,30-34.; 丁洪, 王跃思, 李卫华, 2004. 玉米-潮土系统中不同氮肥品种的反硝化损失与N20排放量. 中国农业科学 37, 1886-1891.)。采用PVC管和橡胶圈密闭培养，由于各种原因导致气密性不够，漏气现象比较严重；使用电气石生成乙炔，容易产生氢气、甲烷等副产物，消耗土壤中水分，影响硝化反硝化过程，乙炔扩散不均，抑制效果不够理想；通入一定浓度的乙炔下开口培养，造成培养过程中乙炔浓度逐渐降低，抑制效果仍不够理想等等 Liu, X.J., Mosier,A.R., Halvorson, A.D., Reule, C.A., Zhang, F.S., 2007. Dinitrogen and N2O emissions in arable soils: Effect of tillage, N source and soil moisture. Soil Biology & Biochemistry 39, 2362-2370.)。总之，现阶段广泛应用的田间硝化反硝化原位测定装置存在的主要问题是系统气密性不够，乙炔相对浓度控制不够理想，乙炔扩散相对均匀度不足，气源杂质或副产物影响硝化反硝化过程等。
因此，迫切需要对现有装置进行针对性改造，使之在保留原系统优势的前提下，尽量避免目前出现的系列问题。
发明内容
本发明提供一种旱地硝化反硝化田间原位土柱培养装置，乙炔扩散均匀。
本发明还提供使用上述装置测试的方法。
所述旱地硝化反硝化田间原位土柱培养装置包括土样采集管和密闭室，土样采集管置于密闭室内，所述土样采集管至少一端开口，其侧面分为多层，每层高 3-5cm，每层中部设有多个扩散孔。
使用本发明所述装置测试的方法为，先用土样采集管在田间随机取回代表性土柱（取样数量根据试验目的、仪器检出限和培养装置容积等而定），立即将装有土柱的土样采集管垂直置入密闭室中，然后将乙炔气体引入密闭室（可采用现有技术中的电气石产生乙炔），在密封条件下进行土柱培养。
由于采用土样采集管采集土柱，土样采集管侧面分为多层，每层中部设有扩散孔，可以保证乙炔通入装置后与土样充分接触，并均匀扩散，抑制效果理想。考虑到成本及加工性能，土样采集管可选用PVC材质。为了便于取样，土样采集管优选两端开口。扩散孔的孔径优选为2-3mm。
作为优选方案，所述土样采集管侧面每层周向上均匀分布有4-6个扩散孔，这样更利于乙炔的扩散和土样之间的充分接触。这里所述周向上均匀分布只需要同层的扩散孔中心基本在同一横截面上即可。
作为本发明的改进，密闭室设有密闭室控制阀门。作为进一步的改进，本发明还包括乙炔供应装置，乙炔供应装置上设有气源控制阀门，气源控制阀门与密闭室控制阀门串联在乙炔供应装置与密闭室之间的第一连通管路上，在这种情况下，可从乙炔供应装置将乙炔引入密闭室，乙炔被引入密闭室之前，可经净化处理，如先通入蒸馏水中，再通入浓硫酸中，以去除气源中的丙酮、水汽等杂质，减少外源性物质对硝化反硝化过程的影响，另外，乙炔的引入还可实现定量控制。作为更进一步的改进，本发明还包括气体混合/抽取装置，密闭室控制阀门与所述气体混合/抽取装置通过第二连通管路连接。气体混合/抽取装置可以用于：（1）引入乙炔前，先用气体混合/抽取装置从密闭式中定量抽取空气，再注入等体积乙炔，已达到乙炔浓度在土柱培养过程中的相对稳定；（2）引入乙炔后以及培养结束时，用气体混合/抽取装置强制混合装置内气体，使其均匀分布。气体混合/抽取装置可以为具有混合、抽取气体功能的公知的各种结构，如注射器。
如果旱地硝化反硝化田间原位土柱培养装置为：包括密闭室、土样采集管、乙炔供应装置和气体混合/抽取装置，土样采集管置于密闭室内，密闭室上设有密闭室控制阀门，密闭室控制阀门与气体混合/抽取装置通过第二连通管路连接，乙炔供应装置上设有气源控制阀门，气源控制阀门与密闭室控制阀门串联在乙炔供应装置与密闭室之间的第一连通管路上，则使用上述装置测试的方法为：将装有土柱的土样采集管垂直置入密闭室中后，用气体混合/抽取装置抽取密闭室内设定体积含量的空气形成负压，然后打开气源控制阀门，注入等体积的乙炔，使密闭室内乙炔体积含量为上述设定体积含量，关闭密闭室控制阀门和气源控制阀门，静置片刻后，再打开密闭室控制阀门，用气体混合/抽取装置混匀密闭室内气体，抽取背景气样，关闭密闭室控制阀门，开始土柱培养。所述设定体积含量可以根据培养目的进行设定，一般可设定为10%。
所述密闭室控制阀门优选为三通，这种结构不仅保证装置的气密性，同时便于操作。
密闭室可采用公知的各种结构，如常用的真空干燥器。所述密闭室的接口处优选用真空硅脂涂抹密封，以保证装置的气密性。
本发明具有以下优点：
1.采用玻璃真空干燥器作为盛放土柱的密闭室进行田间硝化反硝化培养，使用真空硅脂代替橡胶圈对装置各接口处进行均匀涂抹密封，以保证系统气密性；
2.根据装置内空气体积，使用气体混合/抽取装置定量抽取空气，再注入等体积乙炔，以达到乙炔浓度在土柱培养过程中的相对稳定；
3.采用侧面分布有多个扩散孔的土样采集装置，以保证乙炔通入装置后与土样充分接触，并均匀扩散；
4.纯化乙炔气体，首先将气体通入盛有蒸馏水缓冲瓶，再通入盛有浓硫酸的缓冲瓶，以去除气源中的丙酮、水汽等杂质，减少外源性物质对硝化反硝化过程的影响。
通过对以上技术的应用，在保留现有装置优势的前提下基本解决了目前大量装置出现的诸如气密性、稳定性等上述问题，具有较好的重复性，操作也相对比较简单，并在近三年的连续田间试验中获取了较稳定的宝贵数据。
附图说明
图1是本发明结构示意图；
图2是土样采集管的主视图；
图3-13是实施例测定的硝化反硝化损失量柱形图。
具体实施方式
如图1-2所示，旱地硝化反硝化田间原位土柱培养装置包括密闭室1、土样采集管2、乙炔供应装置和气体混合/抽取装置3，土样采集管2置于密闭室1内，密闭室1上设有密闭室控制阀门4，通过密闭室控制阀门4与乙炔供应装置和气体混合/抽取装置3分别连接。所述密闭室1为玻璃真空干燥器（容积6000mL），土样采集管2为两端开口的PVC管（内径3cm，高度16cm），土样采集管2的侧面以4cm为间距分3层均匀打孔（孔径0.3cm），穿透土样采集管2，每层4个扩散孔5，处于相对位置的扩散孔5对穿，形成大小均匀的12个扩散孔5。密闭室控制阀门4为三通。乙炔供应装置包括顺序连接的乙炔气瓶6、蒸馏水缓冲瓶7、浓硫酸缓冲瓶8和气源控制阀门9，气源控制阀门9与密闭室控制阀门4连接。气体混合/抽取装置3为注射器。
实验前，用自来水清洁密闭室1和土样采集管2（打孔过程中会产生大量残渣，需要用合适大小的试管刷清洗），防尘晾干后，将真空硅脂（使用凡士林，温度条件较窄）均匀涂抹在装置磨砂面和阀门连接处（达到密封即可，过多容易造成阀门堵塞），用硅胶管将干燥器和三通相连，并用704硅胶密封。
实验时，用土样采集管2在田间随机取回6个深度15cm的代表性土柱（取样数量根据试验目的、仪器检出限和培养装置容积等而定），立即将装有土柱的土样采集管2垂直置入密闭室1中，密闭室1埋入土壤，表面覆3-5cm土层，以模拟田间土温的昼夜变化，打开密闭室1上自带的阀门10，打开密闭室控制阀门4。用导管将蒸馏水缓冲瓶7和浓硫酸缓冲瓶8依次连接到乙炔气瓶6，通气片刻使连接管和缓冲瓶7、8内空气全部排尽后，关闭气源控制阀门9。用气体混合/抽取装置3（大小由待抽气体体积而定）抽取密闭室1内10%的空气形成一定负压，然后打开气源控制阀门9，注入等体积的纯净乙炔（乙炔的体积可以由流量计控制，也可以先转动气源控制阀门9，使乙炔气瓶6仅与注射器连通，将乙炔吸入注射器，然后转动气源控制阀门9，使注射器仅与密闭室1连通，将等体积的乙炔注入密闭室1。为了保证注射器注入乙炔时内部的气压与抽取空气时的一致，可以用总容积大于乙炔体积的注射器，如需要向密闭室1内注入400ml乙炔时，则用500ml的注射器先从乙炔气瓶中抽取乙炔500ml，然后将乙炔注入密闭室1之前，推出其中的部分乙炔至注射器内乙炔体积为400ml，最后将注射器内余下的400ml乙炔注入密闭室1），使密闭室1内乙炔浓度为10%，关闭密闭室控制阀门4。关闭气源控制阀门9，封盖密闭蒸馏水和浓硫酸缓冲瓶7、8，收好导管，以备下次使用。待培养装置静置片刻后，再打开密闭室控制阀门4，用气体混合/抽取装置3混匀密闭室1内气体，抽取背景气样（每个培养罐抽取的体积保持一致），关闭密闭室1自带的阀门10和密闭室控制阀门4，开始土柱培养，并监测土柱培养期间表土和10cm 土层的温度变化。安全保存气源和缓冲瓶。培养24小时后，用气体混合/抽取装置3通过密闭室控制阀门4将密闭室1内气体充分混匀，然后取气体约50mL放入预抽真空的气袋或瓶中，将气样带回实验室用气相色谱仪分析N2O含量。每个处理同时进行未充乙炔培养以测定N2O排放通量，并在培养结束后取混合土样以分析无机氮含量及含水量。
实施例
实验于2009年6-9月在中国科学院封丘农业生态实验站（河南封丘）开展，时值华北平原夏玉米生长季。验证平台为站内水氮耦合长期实验地，施氮处理为连续每季每公顷施氮0 kg (F0) 、150 kg (F150) 、190 kg (F190)、 230 kg (F230)和270 kg (F270)，水分处理为灌溉时分别达到20cm (W20)，40cm (W40)，60cm (W60)土层的田间持水量。如上所示进行试验，培养后测定的气体产物为氧化亚氮N2O。图3-13为每次培养后测定的硝化反硝化损失量。每个处理三个重复，误差线表示重复间的标准误差。图中以月-日期格式标注土样的采集时间。
实验结束后，用自来水和洗涤剂清洗密闭室和土样采集管，并防尘晾干以备再次使用。
Claims (10)
1. 一种旱地硝化反硝化田间原位土柱培养装置，其特征在于包括土样采集管和密闭室，土样采集管置于密闭室内，所述土样采集管至少一端开口，其侧面为多层，每层高 3-5cm，每层中部圆周上设有多个扩散孔。
2.如权利要求1所述的旱地硝化反硝化田间原位土柱培养装置，其特征在于所述土样采集管侧面每层周向上均匀分布有4-6个扩散孔。
3.如权利要求1所述的旱地硝化反硝化田间原位土柱培养装置，其特征在于，密闭室设有密闭室控制阀门。
4.如权利要求3所述的旱地硝化反硝化田间原位土柱培养装置，其特征在于，还包括乙炔供应装置，乙炔供应装置上设有气源控制阀门，气源控制阀门与密闭室控制阀门串联在乙炔供应装置与密闭室之间的第一连通管路上。
5.如权利要求4所述的旱地硝化反硝化田间原位土柱培养装置，其特征在于，还包括气体混合/抽取装置，密闭室控制阀门与所述气体混合/抽取装置通过第二连通管路连接。
6.如权利要求5所述的旱地硝化反硝化田间原位土柱培养装置，其特征在于，所述密闭室控制阀门为三通。
7.如权利要求1-6中任一项所述的旱地硝化反硝化田间原位土柱培养装置，其特征在于，扩散孔的孔径为2-3mm。
8.采用权利要求1-7中任一项所述装置测试的方法，其特征在于，先用土样采集管在田间随机取代表性土柱，立即将装有土柱的土样采集管垂直置入密闭室中，然后将乙炔气体引入密闭室，在密封条件下进行土柱培养。
9.如权利要求8所述测试的方法，其特征在于，旱地硝化反硝化田间原位测定装置包括密闭室、土样采集管、乙炔供应装置和气体混合/抽取装置，土样采集管置于密闭室内，密闭室上设有密闭室控制阀门，密闭室控制阀门与气体混合/抽取装置通过第二连通管路连接，乙炔供应装置上设有气源控制阀门，气源控制阀门与密闭室控制阀门串联在乙炔供应装置与密闭室之间的第一连通管路上，测试的方法为：将装有土柱的土样采集管垂直置入密闭室中后，用气体混合/抽取装置抽取密闭室内设定体积含量的空气形成负压，然后打开气源控制阀门，注入等体积的乙炔，使密闭室内乙炔体积含量为上述设定体积含量，关闭密闭室控制阀门和气源控制阀门，静置片刻后，再打开密闭室控制阀门，用气体混合/抽取装置混匀密闭室内气体，抽取背景气样，关闭密闭室控制阀门，开始土柱培养。
10.如权利要求9所述测试的方法，其特征在于，乙炔供应装置包括顺序连接的乙炔气瓶、蒸馏水缓冲瓶、浓硫酸缓冲瓶和气源控制阀门，将乙炔引入密闭室之前，先打开气源控制阀门，通气使乙炔供应装置内的空气全部排尽后，关闭气源控制阀门。
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